云南保山稻種資源多樣性初步分析

陳 蕊，李國生，王錦艷，胡鳳益

(1.云南省多年生稻工程技術研究中心/云南大學農學院，昆明 650500；2.保山市農業科學研究所，云南 保山 678000)

【研究意義】遺傳多樣性廣義上指地球生物圈所包含的遺傳信息集合，狹義上指同一個種的不同種群與同一個種群內不同個體所產生的遺傳變異的總和，是種內基因的變化，也稱基因多樣性[1]。對種質資源的遺傳多樣性分析可以分離鑒定出有利的性狀或基因，為農作物遺傳改良提供材料和基因。因此對種質資源保護和精準鑒定可以為農作物遺傳改良提供有用的資源和基因。【前人研究進展】水稻是中國主要糧食作物之一，全國超過60%的人口以大米作為主食[2]。1978—1982年，在中國農業科學院作物品種資源研究所牽頭開展的全國野生稻的全面考察與收集工作中，發現中國分布有普通野生稻、藥用野生稻及疣粒野生稻等3種野生稻，而這3種野生稻云南皆有分布[3]，明確了云南是中國地方稻種的基因多樣性中心和遺傳生態多樣性中心之一[4]。2005年黃燕紅等對中國栽培稻6個地理分布群的遺傳多樣性分析表明秈稻和粳稻的平均基因多樣性均以云南最為豐富,淮河上游次之,黃河以北最小[5]。保山市位于云南省西部，與緬甸接壤，總面積1.96萬 km2,其中山區、半山區面積約占92%，耕地面積3310 km2，分布在海拔535.0～3780.9 m，是云南省著名的“滇西糧倉”。保山地處橫斷山脈滇西縱谷南端，高聳的高黎貢山和怒山山脈與深邃的怒江峽谷互相平行貫穿全境，地勢北高南低、高低懸殊大，形成“一山分四季，十里不同天”的氣候特點。豐富多元的氣候特點造就了該地區的生態多樣性和物種多樣性。【本研究切入點】稻作是保山主要糧食作物之一，栽培品種在20世紀50年代前以地方良種為主，到了60年代以外引品種為主，而70年代后以引育品種為主，并逐漸形成以保粳雜系列、隆科系列、云粳系列、岫系等為主的水稻品種(康洪燦，私人通訊)。70多年來保山市農業科學研究所收集保存的1800多份稻種資源，成為云南乃至整個稻作遺傳改良的重要種質庫和基因庫，編撰了《保山地區稻種資源志》(未發表)。但是，這些稻種資源的表型變異和遺傳基礎不清楚，限制了利用這些稻種資源的有利性狀和基因進行稻作遺傳改良。【擬解決的關鍵問題】從保山市農業科學研究所保存的1800多份稻種資源中隨機選取96份材料，采用鑒別水稻真實性的48對SSR引物[6]進行遺傳多樣性分析。結合該所1987年整理編寫的《保山地區稻種資源志》中記載的表型評價數據，分析保山稻種資源的生態、表型及遺傳多樣性。研究結果將有利于發掘保山稻種資源的有利性狀/基因，為科學有效地保護保山稻種資源提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

從云南省保山市農業科學研究所保存的1800多份稻種資源中隨機選取96份材料，包括農家種38份，農家種系統選育種6份，外引品種8份，其余44份材料無準確記載而無法區分是農家種還是改良種。96份材料中有52份材料在1987年保山農科所存檔的《保山地區稻種資源志》中有表型評價記錄。用抽取的96份材料進行遺傳多樣性分析，有表型記錄的52份材料進行表型多樣性分析。

1.2 種植地點

隨機抽取的96份材料于2020年在水稻生產同期種植于保山市農業科學研究所試驗基地。

1.3 表型評價

1.3.1 表型性狀 對有表型性狀記錄的52份稻種資源的秈粳性、粘糯性、成熟期、粒形、莖稈顏色、穎殼顏色、穎毛多少、有無芒、米色、抗病性共10個性狀進行描述性考察。性狀進行賦值標準化后，對其表現型進行統計分析。

1.3.2 農藝與產量性狀 對有表型性狀記錄的52份稻種資源的株高、產量、穗長、穗粒、有效穗、空秕率、千粒重、生育期共8個農藝性狀考察。分析每個性狀的最大值、最小值、均值和變異系數。同時，考察了這52份稻種資源2020年的株高。

1.4 基因型評價

隨機抽取的96份材料于田間取幼嫩葉片編號后置于密封袋中，采用CTAB方法[7]提取DNA。采用水稻品種DNA分子鑒定標準(NY/T1433—2014)[6]的PCR擴增體系和鑒別方法進行遺傳多樣性分析。

1.5 數據統計與分析

考察的表型性狀數據的平均值、標準差、變異系數等統計均用Excel 2016進行處理；用平均數配對樣本T檢驗方法對1987與2020年的株高差異進行分析。

SSR引物的多態信息量(polymorphic information content, PIC)計算為PIC=1-Σfi2,fi表示第i個等位位點出現的頻率[8]。用PowerMarker Ver 3.25統計群體總等位基因數(Number of alleles)、位點等位基因數(Number of alleles, Na)、等位基因頻率(Frequency of alleles)和多態信息含量(Polymorphic information content, PIC)等參數[9]。采用PowerMarker Ver 3.25 基于Nei’s(1983)計算遺傳距離的方法結合Fig Tree v1.4.3，用鄰接法(Neighbor-Joining, NJ)對96份稻種資源進行聚類分析[10]。

2 結果與分析

2.1 保山稻種資源表型性狀變異分析

分析1987年《保山地區稻種資源志》有記錄的52份稻種資源的秈粳性、粘糯性、成熟期、粒形、莖稈顏色、穎殼顏色、穎毛多少、有無芒、米色、抗病性10個性狀發現：這些稻種資源分為秈粳2個亞種，秈稻為主的占86.54%，粘稻類型為主的占92.31%，糯稻類型較少；中熟和遲熟資源比例相當，分別占53.85%和40.38%，早熟資源較少，僅占5.77%；粒形以橢圓形和細長形為主，分別占比40.38%和36.54%；莖稈顏色多達6種，以褐斑桿黃色為主，占46.15%；穎殼顏色多為穎尖無色，占71.15%；有穎毛的稻種資源占98.08%；多數為無芒品種，占82.69%；具有抗稻瘟病和中抗稻瘟病的資源分別占34.62%和42.31%(表1)。說明保山稻種資源的表型性狀變異具有多樣性和豐富性。

表1 52份稻種資源的表型性狀

續表1 Continued table 1

2.2 保山稻種資源的生態適應性

1987年有記錄的52份稻種,有42份(80.8%)適應在海拔1500～1700 m種植，個別稻種資源如擺郎谷(編號21)分布最為廣泛，在海拔1200～1800 m都能適應生長，而遲二芒(編號69)的種植海拔狹窄僅限于海拔1290 m左右種植。在52份稻種資源中，7份稻種資源(13.5%)分布在海拔1500 m以下地區,且全部為秈稻，80.8%分布在海拔1500～1700 m，其中秈稻38份、粳稻4份，3份稻種資源種植海拔在1700 m以上，全部為粳稻。從分布區域來看，大紅谷(編號12、50、88、91)在保山轄區的2市3縣均有分布，是適應性最廣泛的稻種資源(表2)。

表2 52份稻種資源種植海拔與種植地區記錄

續表2 Continued table 2

2.3 保山稻種資源農藝及產量性狀的變異

1987年有記錄的52份稻種資源的株高、產量、穗長、穗粒數、實粒數、空秕率、千粒重、全生育期的變幅分別是119～171 cm、2625～6000 kg/hm2、18～32.6 cm、77～169 粒、33～155 粒、1.9%～72%、12.3～29.15 g、157～209 d，平均數分別是143.92 cm、4431.5 kg/hm2、24.49 cm、113.86 粒、98.13 粒、15.06%、24.7 g、175.75 d，變異系數分別是8.7%、21.8%、9.4%、17.3%、21%、85.2%、10.7%、7%(表3～4)。

52份稻種資源各性狀間的變異系數除株高(8.7%)、全生育期(7%)和穗長(9.4%)較小外，其他性狀均較高，都在10%以上，其中產量變異系數為21.8%，穗粒數、單株有效實粒數與千粒重變異系數分別達到17.3%、21%與10.7%(表4)。研究表明，保山稻種資源的農藝與產量性狀變異豐富多樣，可為稻作遺傳改良提供豐富的種質資源。

表3 52份稻種資源農藝及產量性狀記錄

續表3 Continued table 3

表4 52份稻種資源農藝及產量性狀的變異分析

2.4 保山稻種資源株高的遺傳變異

對1987與2020年的株高(表3～4)進行平均數配對樣本T檢驗，結果表明1987年記錄的株高與2020年調查的株高之間差異不顯著(T=19.627,P<0.0001,df=51)，說明保山稻種資源的株高變異遺傳具有穩定性。

2.5 保山稻種資源的遺傳多樣性

2.5.1 基于SSR分子標記的分析 由表5可知，對96份稻種資源進行遺傳多樣性檢測，48對推薦引物[6]中有35對引物具有多態性，遺傳多樣性高達73%。具有多態性的35對引物在96份稻種資源中共擴增到100個多態性片段，根據國家行業標準(NY/T1433—2014)推薦的SSR引物分為4組，第I、II、III、IV組標記各獲得26、24、26、24個多態片段，除RM176、RM561、RM567僅檢測到1個等位基因，其他32對引物均可檢測到2個及以上等位基因，等位基因變幅為1～6，平均每對引物可檢測到等位基因數為3.14；基因多樣性指數平均為0.33、變異范圍為0～0.71，多態信息含量(PIC)平均為0.3、變異范圍為0～0.66，而RM219、RM336、RM481、RM72、RM7102、RM3331、RM21、RM85、RM571、RM232等10對引物的PIC值均高于0.51，且等位基因數皆大于3。由此可見保山稻種資源具有較高的遺傳多樣性。

表5 96份稻種資源SSR標記遺傳多樣性分析

2.5.2 聚類分析 基于NJ聚類分析表明在遺傳距離為0.4693時可將96份稻種資源劃分為2大類群(圖1)：第I類包含芒棒鳥嘴紅(編號90)、大紅谷(編號91)、硬冬谷(編號92)、拳頭白(編號80)、福光(編號74)、紅糯(編號64)、馬背皮紅(編號65)、劍川大白(編號59)、晚粳稻(編號58)、大白谷(編號57)、云香糯(編號60)11份稻種資源，僅大白谷、紅糯、芒棒鳥嘴紅、大紅谷、硬冬谷、拳頭白有表型評價記錄均為秈型、無芒；第II類包含其余85份稻種資源。第II大類群中，A類遺傳距離0.4456時聚到一起，是分布在1500～1800 m的大紅谷(編號88)和長毛谷(編號53);B類包含王仁早(編號61)、埂子谷(63)、花祿豐(編號66)、軟紅(編號67)、紅銀丹(編號68)、遲二芒(編號69)、金果銀(編號70)、灰玉5號(編號71)、紅板所(編號72)、軟紅(73)、隴川谷(編號75)、大白谷(編號76)、花谷紅(編號77)、銀丹紅(編號79)、巴啟(編號81)、國川白(編號82)、紫稈紅(編號83)、冬糯(編號84)，這18份稻種資源遺傳距離0.455時聚到一起，其中有表型評價記載的有10份，2份為粳稻、8份為秈稻；C類包含其余的65份稻種資源。由此可以看出，保山現存的96份稻種資源的遺傳多樣性豐富。

在抽取的96份稻種資源中，記錄為相同名稱的云丹紅(編號3、8、24)在遺傳距離0.3554時分為2類(圖1)，大紅谷(編號12、50、88、91)在遺傳距離0.4693時分為2類，細祿豐(編號20、26、78)在遺傳距離0.428時分為2類，烏嘴麻線谷9(編號16、22)遺傳距離為0.3663時分為2類，紅糯(編號45、64)遺傳距離0.4693時被劃分為2類，長毛谷(編號28、55)遺傳距離為0.4085時被劃分為2類，軟紅(編號67、73)遺傳距離0.4384時分為2類，以上7個在1987年的《保山地區稻種資源志》中記錄為相同名稱的稻種資源相對遺傳距離較大；可見保山現存稻種資源在保存的過程中存在同名異種現象。而遺傳距離最小的是麻線谷又叫龍大谷(編號14)和葉里藏(編號15)，遺傳距離為0.0648；其次是灰谷(編號35)和FN114(編號36)遺傳距離為0.1345，可見保山現存稻種資源在保存的過程中可能存在同種異名現象。

紅色表示I大類，藍色表示II大類里的A類，粉色表示II大類里的B類The red lines represent group I. The blue lines represent subgroup A of group II. The pink lines represent subgroup B of group II圖1 96份稻種資源的NJ聚類Fig.1 NJ clustering of 96 rice germplasms

3 討 論

稻種資源的遺傳多樣性是自然進化的結果，在與自然環境相互作用的過程中稻種遺傳特性不斷加強，一些優異的性狀得以保存并與環境協同進化，而一些性狀卻也不斷丟失，導致遺傳多樣性下降。云南保山復雜的地理氣候條件形成了不同的稻種資源利用模式，豐富的民族文化習俗在一定程度上也影響著農民對稻種資源的利用，例如對糯米的偏好選擇導致糯稻資源得以保存，這在一定程度上造就了保山稻種資源具有豐富遺傳多樣性的特點。從保山農業科學研究所保存的1800多份稻種資源中隨機抽取的96份分析結果看出保山的稻種資源具有豐富的表型多樣性、遺傳多樣性和生態適應性，為稻作遺傳改良提供了豐富且重要的基因庫，為有效進行作物種質資源的收集、保存和利用提供了理論依據[11]。

3.1 稻種資源保護現狀

保山市農業科技部門于20世紀50、60年代先后對稻種資源進行收集整理，1979年進行了較為全面系統的收集，共收集到489個品種資源，并對這些品種資源進行了初步的整理編目，但其中有許多同名異種、同種異名的品種未進行分類歸并，1985年云南省農科院對該地區稻種資源品種進行種植鑒定，對品種的來源、類型、表型性狀進行考察，完成該地區稻種資源品種資料的編寫(未發表)，到1987年，共收集保存了1800多份稻種資源。通過研究發現在已收集的稻種資源中，盡管前人已有關于該地區稻種資源的記錄整理，但存在數據缺失嚴重，同名異種和同種異名現象較多，使得諸如株高、生育期、分蘗期、產量等重要形狀不清楚，品質分析不足等問題。這些缺失都為該地區稻種資源的鑒定體系與評價保護造成困擾，亟待補充與完善。

3.2 保護及開發建議

隨著分子生物學理論與技術的進步，從基因組水平全面分析鑒定該地區稻種資源的遺傳多樣性、發掘產量和品質形成的重要基因、并解析其分子機制已成為可能。

因此，有必要基于保山1800多份稻種資源30多年前歷史記錄信息，結合精準的表型評價與分子生物學技術，深入評價其遺傳多樣性，建立保山稻種資源保護體系，挖掘資源中蘊含的優異基因，結合生產需要創制生產亟需的新種質。為選育高產穩產、性狀優良、品質突出的稻作品種提供有力支撐[12]。

4 結 論

從保山市農業科學研究所保存的1800多份稻種資源中隨機選取96份材料，用農業行業標準(NY/T 1433—2014)公布的水稻品種DNA分子鑒定48對SSR引物進行基因型評價，并結合該所33年前(1987年)記錄的表型評價結果分析其多樣性。結果表明保山市農科所保存的稻種資源表型變異具有多樣性、遺傳變異豐富，是稻作遺傳改良的重要基因庫，有必要深入開發利用這些重要的稻種資源。